求是量子产业观察：构筑全栈、开放的云量子计算生态系统，微软为解决社会最复杂问题提供助力
在最近几期文章中，我们已经着重介绍了一些在量子赛道上迈出踏实步伐的国外公司，比如 IBM和谷歌。今天，我们就来看看另一家在互联网时代，凭借操作系统等软件叱咤风云的国际公司，微软（Microsoft），以及其在量子计算等领域做出的一些卓越贡献。
以操作系统为基石，领导世界PC软件开发
微软是一家美国跨国科技企业，由比尔·盖茨（Bill Gates）和保罗·艾伦（Paul Allen）于1975年4月4日创立。公司总部设立在华盛顿州雷德蒙德（Redmond，毗邻 Seattle 西雅图），以研发、制造、授权和提供广泛的电脑软件服务业务为主。其最为著名和畅销的产品为 Windows 操作系统和 Office 系列软件，并且该公司是全球最大的电脑软件提供商、世界PC（Personal Computer，个人计算机）软件开发的先导。
从1985年开始，微软开始发行 Microsoft Windows1.0，它是Windows系列的第一个产品，同时也是微软第一次对 PC 操作平台进行用户图形界面的尝试。系统起初是 MS-DOS模拟环境，后续由于微软对其进行不断更新升级提升易用性，使Windows 成为了应用最广泛的操作系统。截至目前（2022年1月2日），桌面端最新版本是 Windows 11，服务器最新版本是 Windows Server 2022。
PC 硬件上运行的程序在技术上并不一定比其所取代的大型程序要好，但它有两项无法超越的优点：它为终端用户提供了更大的自由，而且价格更低廉。微软的成功也伴随着 PC 蓬勃发展序幕的拉开。微软产品的主要优点是它的普遍性，让用户从所谓的网络效应中得益。
进入本世纪初，移动端迎来井喷式的发展。2000年，诺基亚（Nokia）成为全球首屈一指的手机制造厂商。但很快，随着安卓和 ISO 的发布，诺基亚的市场受到了严重蚕食。彼时，在移动端落后的微软在2011年尝试与诺基亚联手，开辟新的增长点，然而仍以失败收场。最终让这位巨人重新站立起来的是其在2010年发布的云产品：微软 Azure。目前，微软 Azure 是全球第二大的云服务提供商，仅次于亚马逊（Amazon）旗下的云服务 Amazon Web Service。
在量子计算方面，微软也早早进行了布局，比如其开发量子编程语言 Q# 和开发工具 QDK，从而使得开发人员可以利用该套件为量子计算机编写应用程序；而云生态 Azure Quantum 则是一套多样化的量子服务，包含了从预先构建的解决方案到量子软件和硬件，并可以为开发者和客户提供市场最具竞争力的量子服务。这些产品也使得微软在量子赛道上具有一席之地。
搭建量子生态，推动量子技术走向现实
微软量子团队的创新跨越了量子全栈开发的每一层，从软件和应用程序到控制和设备。这其中更包括对可扩展到通用量子计算机的容错拓扑量子比特（Topological Qubit）的追求。旗下的量子云服务Azure Quantum，可以通过大规模的量子系统来帮助人们解决世界上最复杂问题的挑战。接下来小编就带大家梳理下微软在量子计算方面的一些产品和成果。
1998年，微软的研究人员就提出了一组非交换群，它们的隐含子群问题可以在量子计算机上有效地解决。因为在隐含子群问题上，量子计算看起来比经典计算更具有解决能力。比如大素数因子分解可以归类为一类隐含子群问题，而量子 Shor 算法就可以在多项式时间内获得解。
2003年，研究人员提出了一种使用回文变换来编译量子电路的方法，主要提出了将任意 酉矩阵编译为( )受控单量子比特和( )受控非门的有效电路的新算法，并率先提出一个一般的代数优化技术，可以减少传统的两级分解方法生成的量子门数。
2007年，微软发布了关于非交换任意子与拓扑量子计算的综述。拓扑量子计算是构建容错量子计算机最令人兴奋的方法之一。具体地，量子信息可以用多个具有拓扑简并性的准粒子进行存储，然后通过编织准粒子，测量准粒子的状态来就可以实现量子计算所必需的酉运算。而且其容错性来自于准粒子状态的非局部编码，这使得其对局部扰动引起的错误免疫。
2014年，微软发布了一款一个模块化软件架构设计LIQUi|⟩，以控制量子硬件。它可以方便地编程、编译和模拟量子算法和电路，并且独立于特定的量子结构，它还允许提取可用于优化、渲染或翻译的线路数据结构。具体的体系架构可见下图。
2018年，微软发布了 Q#，一门高级领域特定语言，可以支持可伸缩的量子计算和开发。作为一种编程语言，Q# 从 Python、C# 和 F# 中汲取了熟悉的元素，并支持使用循环、分支语句和常用数据类型编写程序的基本过程模型。它还引入了新的特定于量子的数据结构和操作。其中包括 Q# 库、量子模拟器、其他编程环境的扩展和 API 文档。
2019年，微软继续推出其量子开发工具包（Quantum Development Kit，QDK），其是功能完善的 Q# 开发工具包，可与常用工具和语言结合使用来开发可在各种环境中运行的量子应用程序。而且除了标准 Q# 库，QDK 还包括化学库、机器学习库和数字库。
2019年11月，微软正式发布开放云量子计算服务的计划Azure Quantum，它能让客户访问多种量子后端。此外用户可以只编写代码一次，然后针对同一系列的多个目标运行它（无需更改或仅需少量更改），从而让开发者更专注于算法级别的编程。Azure Quantum 提供两个主要的量子解决方案路径：量子计算部分可以了解各种硬件技术以及学习、试验和构建原型；优化部分可以帮助开发解决方案解决现实组合优化问题。
2021年，微软研究人员开发了一种低温CMOS芯片，用于产生多个量子位的控制信号。目前成规模的量子计算机将需要能够操作和读出大量量子比特的控制接口，而这些接口通常在毫微温下工作。而研究人员提出的方法可以很好的在比深空冷40倍的环境下运行，直接为成千上万的量子比特产生控制信号加以控制。详情可见《全球量子科技与工业快讯第四十六期》。
研究和领导团队
Matthias Troyer 于1994年在瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）获得博士学位后，随后在东京大学做博士后，然后回到苏黎世联邦理工学院担任计算物理学教授，直到2017年初加入微软的量子计算项目并担任杰出科学家。其目前从事量子计算的各种主题，从材料和量子器件的模拟到量子软件，算法和未来量子计算机的应用。且其研究兴趣广泛，从高性能计算和量子计算到量子设备和临近生态系统的模拟。
Martin Roetteler 于2001年在德国卡尔斯鲁厄大学（Karlsruhe Institute of Technology）获得博士学位。并在加拿大滑铁卢量子计算研究所的博士后研究员(2003-2004)。随后担任 NEC 美国实验室的高级研究人员(2005-2013)和NEC的量子IT小组的负责人。并于2013年加入微软研究院，目前担任微软量子-雷德蒙德公司的首席研究经理。其研究集中在量子算法、量子纠错、量子电路和量子编程语言。其成功参与开发 Azure Quantum，微软的 QDK，以及 Q# 的软件库等。
Krysta M. Svore 于2006年获得了哥伦比亚大学（Columbia University）计算机科学博士学位。其目前在位于雷德蒙德的微软研究院领导微软量子构架(QuArC)小组。她热衷于量子计算，并重点研究量子算法以及如何使用量子计算机来解决一些世界上最具挑战性的问题，从如何用高级编程语言编写算法，到如何优化它们所需的资源，再到如何在硬件中实现它们。她们的团队致力于设计一个可扩展的、容错的软件架构，用于将一个高级量子程序转换为一个低级的、特定于设备的量子实现。
Peter Krogstrup 于2013年在哈佛大学（Harvard University）理学院取得了博士学位。随后，他成为尼尔斯波尔研究所量子设备中心的助理教授，并在2015年与微软在量子物理相关的晶体材料方面达成合作关系。自那以后，他在量子材料开发方面的创新方法发展成为他开发、建立和领导哥本哈根微软量子材料实验室，且目前担任哥本哈根微软量子材料实验室的科学总监。
总结
微软最初凭借其windows操作系统发家，而且经过多年的发展，目前也已经在全球 PC 操作系统市场形成了垄断地位；而其另一款畅销产品则是 Office 系列软件，这些软件也助其成为全球最大的电脑软件提供商、世界 PC 软件开发的先导。虽然微软错失了移动端和硬件的发展机遇，云端的成长让这位往昔的巨人依旧屹立。在2021年6月23日，其市值突破2万亿元，是继苹果之后美国第二家市值突破2万亿元的企业。
微软在量子计算方面，主要押宝了具有革命性拓扑量子计算，期望以拓扑量子比特为基础的量子计算机能够做到容错计算。在软件方面，微软推出了云服务 Azure Quantum，并在其上集成了前端的开发语言与工具，使得开发人员只需关注高级语言的开发，而后端则与多家量子硬件系统公司合作，为用户提供多种量子硬件接入应用。Azure Quantum 成功的为开发者和客户提供预先构建的解决方案以及软件和量子硬件，且目前已经成为世界上第一个完整的、开放的量子云生态系统，而这也将进一步推动量子技术走向现实。
封面图片：微软 Azure，薛定谔的｜来源：微软
参考来源：
1.微软中国官网，https://www.microsoft.com/zh-cn/
2.微软，百科百科，https://baike.baidu.com/item/%E5%BE%AE%E8%BD%AF/124767?fr=aladdin
3.微软，Wikipedia: https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%BE%AE%E8%BD%AF
4.Microsoft Research，Quantum computing, https://www.microsoft.com/en-us/research/research-area/quantum-computing/?facet%5Btax%5D%5Bmsr-research-area%5D%5B0%5D=243138&sort_by=most-recent
5.Microsoft Quantum program website, https://azure.microsoft.com/en-us/solutions/quantum-computing/
6.Microsoft Research Blog , https://www.microsoft.com/en-us/research/blog/
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